Warum es Batterien in so vielen Größen und Formen gibt

Wenn Sie in letzter Zeit in Ihre Haushaltsschublade geschaut haben, sind Ihnen möglicherweise die verschiedenen Formen, Größen und Arten von Batterien aufgefallen, die Ihre elektronischen Geräte mit Strom versorgen.Da sind zunächst die runden, nicht wiederaufladbaren Knopfzellen für Ihre Uhren und Kleinteile.Es gibt auch die beliebten zylindrischen AA- und AAA-Batterien für Taschenrechner, Uhren und Fernbedienungen.Dann haben Sie die wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkus in Ihren Laptops und Telefonen.Und vergessen Sie nicht die Blei-Säure-Batterie in Ihrem Auto.

Ich bin ein Professor, der studiert Batterien und Elektrochemie.Um zu verstehen, warum es viele Batterien gibt verschiedene Größen und Formen – und vielen Zwecken dienen – werfen Sie einen Blick in die Vergangenheit, wie Batterien entstanden sind und wie sie sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt haben.

Die ersten Batterien wurden im 19. Jahrhundert hergestellt und waren recht einfach.Eine der ersten Demonstrationen war a Reihe von in Salzlake getränkten Metallscheiben, von dem der italienische Wissenschaftler Alessandro Volta herausfand, dass es einen elektrischen Strom erzeugt.Die erste Blei-Säure-Batterie bestand aus a ein paar Bleistücke in einem Gefäß mit Schwefelsäure.Die modernen Versionen unterscheiden sich nicht so sehr.Sie sind einfach einfacher herzustellen und enthalten verschiedene Zusatzstoffe zur Verbesserung der Leistung.

In allen Fällen funktionieren Batterien auf die gleiche Weise:Eine Spannungsdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen Elektroden erzeugt einen elektrischen Strom, der entladen werden kann, um ein Gerät mit Strom zu versorgen.Wiederaufladbare Batterien können diesen Strom dann umkehren, um sie wieder aufzuladen.Im Inneren der Batterie wird der elektrische Strom von einem Ionenfluss durch eine Flüssigkeit, den Elektrolyten, begleitet.

Der Durchgang jedes Elektrons im Strom geht mit dem Transport eines Ions durch den Elektrolyten einher.Elektroden, die mehr Ionen speichern können, führen zu Batterien, die mehr Ladung speichern können und daher mit einer einzigen Ladung länger halten.Elektroden, die für eine schnellere Ionenspeicherung ausgelegt sind, führen zu Batterien, die sich für Hochleistungsanwendungen schneller entladen können.Schließlich führt die Möglichkeit, viele Male laden und entladen zu können, ohne sich zu verschlechtern, zu einer langen Lebensdauer der Batterien.

Blei-Säure-Batterien

Die Blei-Säure-Batterie war die erste wiederaufladbare Batterie, die bereits 1859 von erfunden wurde Gaston Plante, der mit Bleiplatten in einer sauren Lösung experimentierte und herausfand, dass der Fluss und die Speicherung von elektrischem Strom umgekehrt werden können.

Eine Blei-Säure-Batterie muss groß genug sein, um genügend Ladung zum Starten eines Autos bereitzustellen.Es muss auch in kalten Klimazonen einsetzbar sein und viele Jahre halten.Da es sich bei dem Elektrolyten um eine ätzende Säure handelt, muss das Außengehäuse robust sein, um Personen und Fahrzeugteile vor möglichen Schäden zu schützen.Wenn man das alles weiß, ergibt es Sinn, dass moderne Blei-Säure-Batterien blockig und schwer sind.

Alkalibatterien

Bei Haushaltsgeräten wie Taschenrechnern und Digitalwaagen hingegen kann es sich leisten, kleinere Batterien zu verwenden, da sie nicht viel Ladung benötigen.Dabei handelt es sich in erster Linie um nicht wiederaufladbare Alkalibatterien, die seit Jahrzehnten verwendet werden.Die standardisierten Zellgrößen sind AAAA, AAA, AA, C und D, außerdem Knopf- und Knopfzellen und viele andere.Die Größen hängen davon ab, wie viel Ladung sie speichern – je größer der Akku, desto mehr fasst er – und von der Größe der Geräte, die sie mit Strom versorgen.

Manchmal werden Alkalibatterien in rechteckiger Form verkauft, wie herkömmliche 9-Volt-Batterien, aber Öffnen Sie das Außengehäuse und Sie werden feststellen, dass es sich einfach um ein paar zylindrische Zellen handelt, die im Inneren miteinander verbunden sind.Zylindrische Batterien gibt es schon so lange und sie werden so häufig verwendet, dass es für die Unternehmen einfach keinen Sinn macht, etwas anderes herzustellen – es würde eine Investition erfordern, um ihre Produktionsanlagen zu ändern, was sie lieber nicht tun würden.

Lithium-Ionen-Batterien

Nickel-Cadmium-Batterien waren die ersten weit verbreiteten wiederaufladbaren Batterien für die Haushaltselektronik und erfreuten sich bis zum Ende des 20. Jahrhunderts großer Beliebtheit.Aber sie hatten ihre Fallstricke.Cadmium ist sehr giftig und die Batterien litten unter einem „Memory-Effekt“, der ihre Lebensdauer verkürzte.

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften als leichtes Metall, das viel Energie speichert, wurde Lithium viele Jahrzehnte lang auf seinen möglichen Einsatz in wiederaufladbaren Batterien untersucht.Sony zuerst hat die Lithium-Ionen-Batterie kommerzialisiert im Jahr 1991.

Das Unternehmen stellte zylindrische Zellen her, da diese am einfachsten herzustellen waren.In den 1990er Jahren stellte Sony viele Camcorder und Kassetten her und verfügte daher über eine große Ausrüstung dafür Rolle-zu-Rolle-Fertigung.Es lag nahe, diese Ausrüstung für die Herstellung von Batterieelektrodenrollen umzufunktionieren, die durch das Gießen von Filmen auf Kupfer- oder Aluminiumbleche und das anschließende Aufrollen zu einem „Jelly Roll“-Zylinder hergestellt werden.

Das dicke Gehäuse davon zylindrische Zellen sind mechanisch stabil und für zusätzliche Sicherheit verfügen sie über ein Überdruckventil.Sehr schnell eroberten diese frühen Lithium-Ionen-Zellen den Markt für tragbare Elektronik, insbesondere für Laptops und Mobiltelefone, da sie mehr Energie speicherten und länger hielten als die wiederaufladbaren Nickel-Cadmium-Batterien.

Faktoren, die Batterien prägen

Batterien werden aus Kostengründen und aus Gründen der Herstellbarkeit in bestimmten Größen und Formen hergestellt, in anderen Fällen jedoch aufgrund veralteter Herstellungsprozesse.Auch die Marktnachfrage spielt eine Rolle.

Elektrofahrzeuge kamen zum Beispiel erst durch, als Tesla begann, Autos mit zylindrischen Lithium-Ionen-Batteriezellen herzustellen, statt der rechteckigen Beutel- oder Prismenzellen, die andere Elektrofahrzeughersteller verwendet hatten.Beutel- und prismatische Zellen können eng beieinander gepackt werden, da dies bei zylindrischen Zellen der Fall war bereits in Massenproduktion hergestellt Für tragbare Elektronik konnte Tesla in den 2010er Jahren kostengünstigere Elektrofahrzeuge herstellen.

Welche Formen und Größen Batterien in Zukunft annehmen werden, hängt nicht nur davon ab, wie viel Energie sie speichern, sondern auch von der Marktökonomie – wie einfach sich die einzelnen Zelltypen herstellen lassen, wie viel ihre Herstellung kostet und wofür sie verwendet werden für.Und diese Faktoren sind eine Mischung aus Innovation und Geschichte.